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L'atome, l'élémentarité, l'insécable, dont tout serait composé et qui permettrait de tout expliquer des lois de la physique, de la matière, de la lumière et du vide, du niveau quantique à l'astrophysique en passant par notre échelle macroscopique, existe-t-il ? - Matière et Révolution
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L’atome, l’élémentarité, l’insécable, dont tout serait composé et qui permettrait de tout expliquer des lois de la physique, de la matière, de la lumière et du vide, du niveau quantique à l’astrophysique en passant par notre échelle macroscopique, existe-t-il ?

lundi 10 octobre 2011, par Robert Paris

Quelle est la structure de la matière ?

source d’une image de l’atome

Qu’est-ce que l’atome dans la physique contemporaine ? Cette insécable partie élémentaire dont tout serait composé et qui expliquerait tous les niveaux du monde physico-chimique, de la physique quantique à l’astrophysique en passant par la physique à notre échelle macroscopique. Est-ce ce l’élémentarité existe ou n’existe pas ? L’élément de base est-il unique ou pluriel ? Est-ce la particule de matière ? Est-ce le corpuscule de lumière ? Est-ce l’onde de probabilité ? Est-ce un élément de matière, de lumière, de temps, de charge électrique, de masse, d’énergie ? Est-ce un photon, un électron, un neutrino, un quark, un gluon, une particule fugitive, comme les résonances ou comme les quanta virtuels du vide ? Est-ce l’univers entier ?

On sait déjà que la molécule n’est pas élémentaire parce qu’elle est composée d’éléments chimiques, comme la molécule d’eau égale un atome d’oxygène plus deux atomes d’hydrogène plus les énergies de liaison. Les éléments chimiques sont eux-mêmes composés d’atomes déterminés par la taille de leur noyau. Les atomes ne sont donc pas élémentaires, car ils sont composés du noyau et du nuage d’électrons. Le noyau n’est pas élémentaire parce qu’il est composé de protons, de neutrons et des gluons de liaison. Le proton et le neutrons sont eux-mêmes des composés de quarks. Mais les quarks posent un problème à l’élémentarité, car ils ne peuvent pas être isolés, séparés de la structure à laquelle ils participent. Casser des particules ne nous amène pas davantage à l’élémentarité, car on produit ainsi d’autres éléments, en fournissant de l’énergie pour casser.

L’élémentarité existe mais ce n’est pas un objet, pas une particule, pas une masse, pas une énergie.

Cela peut être une charge électrique, celle d’un quark, par exemple. c’est-à-dire un tiers de la charge d’un électron Cela peut être une action : la quantité de Planck, soit h barre divisé par deux.

Un nombre entier de la quantité de Planck définit, par une quantité appelée le spin et qui caractérise une action appelée la phase, les bosons, comme le photon lumineux. Un nombre demi entier (un demi, un et demi, deux et demi, etc) caractérise les particules appelées fermions, comme l’électron ou le quark (et ses composés).

Ces deux quantités (action h barre sur deux et charge un tiers de la charge de l’électron e) n’existent qu’en unités et jamais en fraction. Elles sont insécables. Elles peuvent décrire l’ensemble des quantités physiques car elles en découlent. La masse, le temps, l’espace et l’énergie en découlent.

Le fait de dire qu’il y a un quanta, ou deux quanta ou trois quanta mais pas un demi ni un tiers de quanta change considérablement les choses. On ne peut que sauter d’un quanta.

Le fait que la quantité de base ne soit pas une masse ni une énergie ni une particule change aussi considérablement les choses.

Il existe des charges un, deux, trois,... ou moins un, moins deux, moins trois. Il existe des quantités d’action un, deux, trois, … L’action peut augmenter ou diminuer de un, deux, trois, etc... mais pas de un demi, un tiers, ou des nombre décimaux.

Cela suppose une discontinuité fondamentale de la nature et pas seulement un jeu de construction de matière qui s’attache en forme de puzzle.

Jean-Paul Auffray décrit ainsi la question dans son ouvrage intitulé « L’atome » :

« Pierre Louis Moreau de Maupertuis (1698-1759) formule le 15 avril 1744 devant les membres de l’Académie royale de Paris la proposition qui va immortaliser son nom : « Lorsqu’un corps est porté d’un point à un autre il faut pour cela une certaine quantité d’action... la quantité d’action est d’autant plus grande que la vitesse du corps est plus grande, etq ue le chemin qu’il parcourt est plus long ; elle est proportionnelle à la somme des espaces multipliés chacun par la vitesse avec laquelle le corps le parcourt. » Etudiant la « loi du rayonnement du corps noir »... Planck l’a exprimée ainsi : « Dans une enceinte vide (un four) limitée par des parois entièrement réfléchissantes, il arrive un moment où la radiation contenue dans l’enceinte – avec toutes ses propriétés y compris sa distribution spectrale d’énergie – dépend seulement et exclusivement de la température. » (…) Boltzmann lui répond qu’à son avis il ne parviendrait jamais à construire une théorie vraiment satisfaisante du rayonnement du corps noir sans introduire dans les processus du rayonnement un élément de discontinuité encore inconnu. Planck introduit dans son calcul une certaine grandeur W et découvre que, pour l’interpréter ainsi qu’il convenait, « il était nécessaire d’introduire une constante universelle » qu’il appela h, ajoutant : « Comme cette constante avait les dimensions d’une action (…), je lui donnai le nom de quantum élémentaire d’action. »

Planck se demanda d’abord s’il ne rêvait pas : « Ou bien toute ma série de déductions n’était qu’un simple artifice de calcul... Ou bien le quantum d’action représentait quelque chose d’insoupçonné jusqu’alors... destiné à révolutionner une pensée physique basée sur la notion de continuité elle-même. »

On pourrait croire a priori que l’action de Maupertuis est une grandeur continue, c’est-à-dire susceptible de prendre n’importe quelle valeur. Eh bien non, nous dit Planck. Il existe une « plus petite quantité d’action possible », une unité, un quantum d’action. Certes, cette unité, ce quantum est très petit (à notre échelle ordinaire de grandeurs) et c’est pourquoi nous ne l’avons aps découvert plus tôt. Mais il existe, il est réalisé dan sla nature : toute action est nécessairement un multiple entier de cette unité. (…)

Dans un article intitulé « L’hypothèse des quanta », Poincaré affirme : « Un système physique (tel qu’un atome) n’est susceptible que d’un nombre fini d’états distincts ; il saute d’un de ces états à l’autre sans passer par une série continue d’états intermédiaires. » … Comment l’atome passe-t-il d’un état à un autre ? Selon Poincaré, en effectuant des « sauts » (nous disons aujourd’hui des sauts quantiques). (…)

Pour Louis de Broglie, l’électron est accompagné d’une onde dont la phase est l’élément important : c’est pour rester en phase avec son onde que l’électron suit un mouvement particulier – un mouvement quantifié. (…)

Pour les bâtisseurs du modèle standard … la matière serait constituée de douze particules primordiales, dont quatre prédominantes : le quark u, le quark d, le neutrino et l’électron. (…)

Léon Léderman : « Où se trouve la charge, où se trouve la masse ? » (…)

Sous quelle forme l’énergie est-elle « emmagasinée » dans l’électron ? (…)

Planck avait, en réalité, fait une double hypothèse : celle du quantum d’action et celle, annexe, de la relation énergie E égale quantum d’action h fois fréquence du rayonnement. (…) Einstein construit en 1905 une hypothèse qu’il baptise hypothèse du quantum de lumière, selon laquelle « un rayonnement de densité suffisamment faible se comporte comme s’il était composé de quanta d’énergie indépendants les uns des autres » et de magnitude égale à la constante de Planck h multiplié par la fréquence du rayonnement. L’idée qui sous-tend cette hypothèse consiste à dire que la lumière contient des particules (Einstein se contente pour l’instant de dire des quanta) et suggère que l’expression h fois fréquence est plus fondamentale à cet égard que le simple h de Planck. (…) le passage du quantum d’action au quantum d’énergie constitue, selon moi, une regrettable erreur d’aiguillage. L’énergie, je le rappelle, mesure la cadence à laquelle l’action s’exerce dans un mouvement donné : tant d’unités d’action par seconde. Le « par seconde » dans cette expression ne permet pas de faire de h fois fréquence un « paquet ». (…)

Formulé initialement par Maupertuis en même temps qu’il introduisait le concept d’action, le « principe de moindre action » - l’un des plus remarquables de tous les principes de la physique – constate que, parmi toutes les trajectoires possibles permettant à une particule en mouvement d’aller d’un point à un autre, la particule adopte celle qui entraîne la plus petite dépense d’action possible, la trajectoire de « moindre action » ! Comment une telle chose est possible ? demanderez-vous (à juste titre).

Le quantum d’action est le médiateur de la force électromagnétique dans l’atome. (…)

Dans la terminologie de Feynman, le quantum d’action est un « photon virtuel ». (…) Richard Feynman a décomposé tout ce qui peut arriver à un électron dans l’atome et qui détermine son mouvement ou sa transformation. Ce sont des processus discontinus :

a) Un électron absorbe un quantum provenant d’une source extérieure et change de direction dans l’espace

b) Un électron émet un quantum qu’il réabsorbe aussitôt

c) Un électron émet un quantum qu’il réabsorbe après avoir fait un demi-tour dans le temps

d) Un électron apparaît subitement dans le vide, fait marche arrière dans le temps et disparaît, laissant le vide dans l’état premier. Entre temps, cependant, en « polarisant » le vide, cet électron a influencé son entourage.

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Qu’est-ce que l’atome ? Qu’est-ce que la particule ?

Qu’est-ce que la quanta et pourquoi il suppose une discontinuité fondamentale ?

Pourquoi les quanta posent-ils des problèmes fondamentaux à la pensée sur la matière ?

Qu’est-ce que la physique des quanta ?

Physique quantique et discontinuité

La conception de Louis de Broglie

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